El mecanismo estructural para el desplazamiento ribosómico del marco de lectura en la traducción del genoma del SARS-CoV-2

Por Francisco R. Villatoro, el 17 mayo, 2021. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Noticias • Science • Virología ✎ 3

Muchos virus de ARN presentan un desplazamiento ribosómico programado del marco de lectura durante la traducción de su ARN en proteínas; un buen ejemplo es el coronavirus SARS-CoV-2. El mecanismo estructural responsable del mismo solo se conoce para unos pocos virus. Se publica en Science  para el coronavirus SARS-CoV-2 gracias a la criomicroscopia electrónica. La estructura terciaria del ARN del coronavirus contiene un pseudonudo (pseudoknot) que interfiere con la traducción en curso en el canal de entrada del ARN mensajero al ribosoma; lo que se iba a traducir como la poliproteína Pp1a que finaliza con Nsp10 y Nsp11, se traduce como la poliproteína Pp1ab que tras Nsp10 produce Nsp12, …, Nsp15; destaca que Nsp12 es la polimerasa de ARN dependiente de ARN, RdRp, clave en la replicación del coronavirus. El desplazamiento de marco de lectura ocurre en un ~75 % de las traducciones(∗). El desarrollo de fármacos que lo impidan se considera una diana terapéutica muy relevante.

El gen orf1ab se puede traducir en el ribosoma de dos formas diferentes; por un lado, como la poliproteína Pp1a (nucleótidos 266—13483), que se escinde en las proteínas no estructurales Nsp1, Nsp2, …, Nsp10 y Nsp11; y por otro lado como la poliproteína Pp1ab (nucleótidos 266—13468 y 13468—21555, con un nucleótido repetido por el desplazamiento de marco de lectura), que se escinde en las proteínas Nsp1, …, Nsp10, Nsp12, …, Nsp15). Como muestra la figura, sin el desplazamiento del marco de lectura se traducen los codones UUU_UUA_AAC_GGG (nucleótidos 13460—13471) como Phe_Leu_Asn_Gly en la proteína Nsp11, la última escindida de la poliproteína Pp1a, cuya traducción finaliza en el codón de parada UAA (nucleótidos 13481—13483). Sin embargo, con el desplazamiento –1 del marco de lectura en el nucleótido 13468 se traducen los codones UUU_UUA_AAC_CGG_GUU (nucleótidos 13460—13468, 13468—13473) como Phe_Leu_Asn_Gly en la proteína Nsp12, que se escinde en el nucleótido 16236 como parte de la poliproteína Pp1ab, cuya traducción finaliza en el codón de parada UAA (nucleótidos 21553—21555).

El artículo es Pramod R. Bhatt, Alain Scaiola, …, Nenad Ban, «Structural basis of ribosomal frameshifting during translation of the SARS-CoV-2 RNA genome,» Science eabf3546 (13 May 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abf3546, bioRxiv preprint (26 Oct 2020), https://doi.org/10.1101/2020.10.26.355099. También cito el estudio computacional previo de Sara Ibrahim Omar, Meng Zhao, …, Michael T. Woodside, «Modeling the structure of the frameshift-stimulatory pseudoknot in SARS-CoV-2 reveals multiple possible conformers,»  PLoS Computational Biology 17: e1008603 (19 Jan 2021), doi: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008603, bioRxiv preprint (11 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.08.141150.

También recomiendo el artículo de revisión de Jamie A. Kelly, Michael T. Woodside, Jonathan D. Dinman, «Programmed −1 Ribosomal Frameshifting in coronaviruses: A therapeutic target,» Virology 554: 75-82 (Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.virol.2020.12.010. Este artículo compara tres propuestas, una de ellas la de Bhatt et al.  (el preprint en bioRxiv). La relevancia del pseudonudo se discute en Tamar Schlick, Qiyao Zhu, …, Alain Laederach, «To knot and not: Multiple conformations of the SARS-CoV-2 frameshifting RNA element,» bioRxiv preprint (01 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1101/2021.03.31.437955.

(∗) El nuevo artículo no ofrece ninguna estimación ajustada a este porcentaje. El valor depende del ensayo realizado para estimarlo y hay muchas variaciones en la literatura. He elegido el valor que más veces recuerdo haber leído.

Supongo que ya sabrás que el ribosoma traduce el ARN mensajero (mRNA en la figura) en proteínas usando el ARN de transferencia (tRNA). El ARN de transferencia es responsable del código genético (la asociación entre codones y aminoácidos); para ello porta dicho aminoácido en un extremo con el anticodón correspondiente en el otro extremo; durante la traducción el anticodón se acopla al correspondiente codón del ARN mensajero facilitando que se enlace el aminoácido al extremo incompleto del péptido que se está traduciendo. Esta figura de la wikipedia ilustra la síntesis de proteínas.

La estructura molecular del ribosoma ha evolucionado para evitar los cambios de marco lectura accidentales, que producen mutaciones no deseadas. Algunos virus de ARN (como el retrovirus VIH-1 responsable del SIDA, el virus del sarcoma de Rous, el virus de la gripe y los coronavirus) han evolucionado para inducir desplazamientos en el marco de lectura durante la traducción de su ARN en el ribosoma.

En los coronavirus, las proteínas no estructurales (Nsp) se traducen como parte de una poliproteína (Pp1ab) en cuya traducción se produce un desplazamiento ribosómico del marco de lectura (ribosomal frameshifting) en un punto muy concreto; esta poliproteína se escinde (o fragmenta) en las proteínas que contiene gracias a una de ellas, la proteasa Nsp5 (aunque se ignoran los detalles, se cree que también ayudan otras proteasas de la célula hospedadora). Por cierto, recuerda que las proteínas estructurales del coronavirus son S, E, M y N. Si interesa saber más de estas proteínas, a nivel divulgativo, te recomiendo disfrutar de Jonathan Corum, Carl Zimmer, «Bad News Wrapped in Protein: Inside the Coronavirus Genome,» The New York Times, 03 Apr 2020).

En el SARS-CoV-2 la interferencia con la traducción es debida al pseudonudo en su ARN ilustrado en la figura (su estructura terciaria a la izquierda y la secundaria la derecha). El pseudonudo se encuentra después del dominio de deslizamiento (slippery site) donde se produce el desplazamiento de marco de lectura y está formado por tres tallos (stems) y tres bucles (loops); no se observa bien en la figura, pero tras el nudo el ARN continúa hacia la derecha. Lo más curioso es que el bucle 3 (Loop 3) está formado por cuatro nucleótidos, tres de los cuales se asignaban al tallo 2 (Stem 2) en las predicciones de la estructura secundaria basadas en modelos computacionales (que eran incapaces de ver dicho bucle, como el artículo de Omar et al. (2021) que cito más arriba). Este es el punto clave del nuevo artículo en Science que permite explicar de forma convincente lo que investigaciones previas fueron incapaces.

Desde el punto de vista metodológico, para poder obtener la estructura tridimensional del complejo ribosoma-ARN hay que detener la traducción en el momento adecuado. Para ello se ha modificado el ARN del coronavirus con un codón de parada justo después del pseudonudo; además, se ha añadido el factor de terminación de la traducción eucariota 1 (eRF1) que detiene la traducción e impide que se libera la poliproteína que se está traduciendo.

La reconstrucción tridimensional mediante crimicroscopia electrónica muestra cómo el pseudonudo actúa como un obstáculo que desacelera la traducción cuando se acerca el dominio de deslizamiento. El pseudonudo es un elemento estructural muy estable, con lo que se resiste a ser desplegado, lo que incrementa la probabilidad de interferencia; el nuevo artículo en Science no la estima, recurriendo a la literatura, que ofrece valores entre el 25 % y el 75 %. Me ha sorprendido que no se ofrezca una estimación más ajustada de esta probabilidad.

En resumen, ya sabéis que me apasiona la bioquímica estructural; sus implicaciones biomédicas son mucho más relevantes para todos, pero me interesan mucho menos. Le cuento a mis estudiantes el desplazamiento del marco de lectura en la traducción del ARN del coronavirus; hasta ahora lo hacía sin concretar el mecanismo bioquímico subyacente. Me gusta saber que ahora podré ofrecerles una explicación bastante razonable (que como siempre tendrá que ser ratificada de forma independiente por otros grupos de investigación, tanto en criomicroscopia electrónica como desde el frente computacional).



3 Comentarios

  1. He de reconocer que este trabajo excede de mi capacidad de comprensión de los sutiles entresijos de la bioquímica estructural aplicada, en este caso, al desplazamiento ribosómico del marco de lectura durante la traducción del RNA del Sars-CoV-2 a las correspondientes proteínas, por lo que, en verdad, no puedo hacer un comentario pertinante al respecto.
    Sin embargo el artículo me ha traído inmediatamente a la cabeza el problema del sitio de furina en la proteína S de este coronavirus, el tan famoso motivo PRRA. Ha sido orígen de muchas especulaciones, alguna de ellas de tinte conspirativo, el hecho de que las dos argininas de dicho motivo esten codificadas por el codon CGG. En efecto, no deja de ser una rareza que la repetición CGGCGG exista en ese lugar, sino además que dicho codon sea minoritario en todo el genoma del virus en orden a codificar arginina. De hecho, en las 42 argininas presentes en la proteína S, sólo se usa CGG en las que componen dicho motivo PRRA.
    No soy experto en el tema, y agradecería la ayuda de quien quiera prestármela, pero se me ocurre pensar que un error de la polimerasa, del tipo de un retro-deslizamiento del RNA durante la traducción proteica, haya podido ser la causa de esa singular repetición constitutiva del núcleo central del sitio de furina que tan determinante es en la patogenicidad de este virus. Esta suerte de mutación dinámica se consolidó luego gracias a las ventajas que le confirió al virus en orden a su mejora adaptativa para la infección del epitelio alveolar humano.
    Por cierto, aprovecho la ocasión para llamar la atención acerca de un cambio importante en la posición P681H, en la variante inglesa, a P681R, en la variante bengalí. Un único SNP de A a G cambia CAU a CGU, y CAC a CGC, cambiando, en ambos casos, una histidina por una arginina. Con ello, el sitio de furina quedaría muy reforzado pasando a ser RRRA. Tal vez este hallazgo contribuya a explicar, en parte, la aparente gran virulencia y letalidad de alguna de las variantes actualmente circulantes en India.
    Saludos.

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